植物抗病基因能有效保護農(nóng)作物免受病蟲害侵害，顯著減少化肥和農(nóng)藥使用。因此，通過對植物免疫抗病蛋白進行調(diào)控實現(xiàn)綠色防控顯得尤為關(guān)鍵。抗病小體，這一由我國科學家提出的概念，迅速獲得了國內(nèi)外專家同行的廣泛認可和高度評價。一系列研究成果突破了20多年來對植物抗病理論的傳統(tǒng)認識，為設(shè)計廣譜、持久的新型抗病蛋白和發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)奠定了關(guān)鍵理論基礎(chǔ)。而對抗病小體的研究結(jié)合了結(jié)構(gòu)生物學、生物化學、電生理學和植物病理學等多學科手段，成為多學科交叉合作的經(jīng)典案例。

抗病蛋白，植物的免疫系統(tǒng)

植物和人類一樣，經(jīng)常會受到各種病原體侵染。自人類進入農(nóng)業(yè)社會以來，植物疾病始終是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重大難題。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，這些病原體引發(fā)的疾病能使糧食作物產(chǎn)量減少約11%至30%，對全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴峻挑戰(zhàn)。雖然人們早就注意到作物輪作等方法可以防止某些疾病的發(fā)生，但目前在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中仍主要采用化學農(nóng)藥來防病及抗病，這不僅污染環(huán)境，還對食品安全和人類健康產(chǎn)生負面影響。探索研究植物抗病機理，培育具有高抗病能力的農(nóng)作物，對糧食安全具有深遠的意義。

植物不能像動物一樣自由移動，也無法主動避開病原微生物，但植物在長期進化過程中，發(fā)展出了復雜的多層次免疫系統(tǒng)來抵御病原體。在病原體入侵植物時，植物細胞膜上的模式識別受體（PRR）會識別病原菌的保守模式分子，從而啟動第一層免疫反應(yīng)。這種反應(yīng)具有廣譜性，可防御大多數(shù)病原體的侵染。與此同時，病原體在不斷進化，部分病原體能通過三型分泌系統(tǒng)分泌致病因子進入細胞內(nèi)，致使第一層免疫反應(yīng)失效，從而無法有效啟動第一層免疫反應(yīng)，病原體就可以有效擴增繁殖并導致疾病的發(fā)生。

慶幸的是，在病原體進化的同時，植物也相應(yīng)進化出了第二層免疫反應(yīng)——被病原體入侵細胞含有特異抗病蛋白，可以識別病原體分泌的效應(yīng)蛋白，啟動一系列更為特異且強烈的免疫反應(yīng)，進而消滅病原體。為了阻止病原體進一步擴散，第二層免疫反應(yīng)甚至會以犧牲植物局部細胞的代價，一舉消滅病原體。

1905年，英國小麥遺傳學家比芬首次在小麥中發(fā)現(xiàn)了抗病基因，這也標志著植物抗病性遺傳研究的開始。1947年，美國學者哈羅德·H·弗洛爾在研究亞麻銹病抗性過程中，提出植物抗病領(lǐng)域的“基因?qū)�基因”假說，針對宿主的每一個抗病性基因，病原菌方面也相應(yīng)存在一個決定致病性基因，這為后續(xù)尋找病原菌的致病因子和植物抗病蛋白奠定了理論基礎(chǔ)。其中，絕大多數(shù)植物抗病蛋白為NLR型抗病蛋白。1994年，科學家成功克隆了第一個NLR抗病基因。隨著分子生物學技術(shù)的發(fā)展，至今已經(jīng)克隆了至少200多個NLR抗病基因，該類NLR抗病基因可以產(chǎn)生NLR抗病蛋白，并廣泛應(yīng)用于作物的抗病育種。

簡單來說，植物在面對病原體時，通過抗病蛋白這個特異“受體”來啟動相應(yīng)的免疫系統(tǒng)，減少對自身的傷害。對植物免疫系統(tǒng)的深入研究，尤其是對抗病蛋白的研究，極大地拓展了對植物免疫系統(tǒng)運作機制的理解。這些知識對于開發(fā)新型的、更環(huán)保的植物抗病策略具有重要意義，有助于推動農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

抗病小體，冉冉升起的學術(shù)“新星”

NLR蛋白在不同生命界（包括細菌、植物和動物）中廣泛存在，并參與免疫過程。在動物中，NLR蛋白數(shù)量較少，主要負責識別病原體來源的共有模式分子或宿主的危險相關(guān)模式分子，從而激活先天免疫反應(yīng)。與動物不同，植物的NLR蛋白通過識別病原微生物分泌到宿主細胞內(nèi)的特異性致病效應(yīng)因子，啟動免疫反應(yīng)，這一特異的對應(yīng)識別機制是植物免疫的核心，它通過激活下游信號傳導通路，增強植物對病害的抵抗力，從而有效保護植物健康。

鑒于植物面臨的病原體種類繁多，且每個病原體可攜帶多種致病因子，植物進化出了大量特異的抗病蛋白以識別這些因子，例如擬南芥約有150個、水稻約有450個、蘋果約有750個NLR抗病蛋白。這表明植物NLR蛋白的作用機制可能比動物的更為復雜。

自從植物NLR抗病蛋白被發(fā)現(xiàn)以來，許多圍繞NLR的問題急需回答：NLR如何特異識別病原菌？NLR的活化機制是什么？NLR活化后如何起始免疫反應(yīng)？在沒有病原菌時，NLR又如何保持抑制狀態(tài)……這些問題的回答急需對NLR抗病蛋白進行結(jié)構(gòu)解析，但由于植物NLR抗病蛋白表達量普遍較低、分子量大且構(gòu)象多變，對其完整的三維結(jié)構(gòu)解析一直是植物免疫學領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)。同時，由于對植物NLR的作用機制尚不清楚，植物領(lǐng)域?qū)�這一類蛋白的認識主要借鑒動物中研究較清楚的凋亡相關(guān)蛋白Apaf1的研究結(jié)論，推測NLR抗病蛋白可能需要通過中間接頭蛋白介導來發(fā)揮抗病功能。我們團隊2004年開始聚焦動植物免疫抗病蛋白研究，2013年到2018年，相繼解析了動物NLRC4免疫蛋白不同狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，為推動植物免疫蛋白結(jié)構(gòu)解析提供了線索。2015年，我與中國科學院植物遺傳發(fā)育所研究員周儉民合作，開始研究植物NLR抗病蛋白ZAR1的結(jié)構(gòu)與功能。經(jīng)過不懈努力，2019年在清華大學王宏偉電鏡研究組的協(xié)助下，成功解析了植物第一個完整抗病蛋白ZAR1三種不同狀態(tài)的結(jié)構(gòu)：抑制態(tài)、中間態(tài)和五聚化的激活態(tài)結(jié)構(gòu)。這一突破性成果首次揭示了植物CNL類抗病蛋白在沒有病原菌存在時，是如何通過核苷酸和多結(jié)構(gòu)域之間的相互作用維持抑制狀態(tài)的，同時揭示了在病原菌效應(yīng)因子的作用下，NLR變構(gòu)和寡聚化組裝的完整分子機制。這是自1994年第一個NLR蛋白克隆以來，植物抗病領(lǐng)域取得的重大突破。

五聚化的激活態(tài)結(jié)構(gòu)像一個風火輪，也像一朵紫荊花。我們的激活態(tài)結(jié)構(gòu)形成了中空的漏斗狀，通過對結(jié)構(gòu)的詳細分析，提示它可能是通過影響植物細胞膜的完整性來啟動抗病反應(yīng)的。該發(fā)現(xiàn)對植物抗病研究領(lǐng)域具有開創(chuàng)性意義，因為它挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)觀念，即植物NLR識別效應(yīng)蛋白并寡聚化后可能招募其他接頭蛋白以啟動防御反應(yīng)。進一步的功能研究提示，植物抗病蛋白寡聚化后可能直接干擾細胞膜的穩(wěn)定性，從而觸發(fā)下游的抗病反應(yīng)。NLR抗病蛋白的這一活化模式完全不同于動物中凋亡小體或者炎癥小體需要通過接頭蛋白來激活下游通路的模式。

這一突破性研究以兩篇長文的形式發(fā)表在2019年4月5日的國際學術(shù)期刊《科學》上，填補了植物NLR介導的免疫信號轉(zhuǎn)導研究領(lǐng)域的空白。借鑒動物炎癥小體和植物抗病蛋白的生物學功能，我們團隊將寡聚化的抗病蛋白結(jié)構(gòu)命名為“抗病小體”。

由于抗病小體的巨大科學意義，同期《科學》雜志還發(fā)表了國際植物抗病研究知名科學家、美國科學院院士杰夫瑞·丹格爾和英國皇家學會院士喬納森·瓊斯的專題評論，對這一重大突破性成果給予了高度評價。植物抗病小體的發(fā)現(xiàn)被形象地稱為“冉冉升起的新星”，反映了其五聚化結(jié)構(gòu)對植物抗病領(lǐng)域研究的重大意義。

2021年，我們進一步在植物中確認ZAR1抗病蛋白確實可以通過在細胞膜上形成鈣離子通道或孔道，來觸發(fā)植物的免疫反應(yīng)。這項開創(chuàng)性的研究將植物抗病蛋白與重要的生物第二信使——鈣離子聯(lián)系了起來，為植物抗病機制的研究開辟了新方向。

鈣信號，植物抗病的共性起點

伴隨著第一個ZAR1抗病小體的解析，人們對于植物免疫過程有了全新認識。如果ZAR1抗病小體通過形成鈣離子通道/孔道來激活免疫反應(yīng)的機制，在諸如小麥這樣的單子葉植物中的NLR也具有廣譜性，那么對于糧食作物的抗病育種研究將具有重大影響，對中國這樣的農(nóng)業(yè)大國意義尤為深遠。

針對此問題，我們與合作伙伴一起針對小麥中的抗病蛋白Sr35與小麥稈銹病病原菌的效應(yīng)因子AvrSr35形成的復合物展開研究，并以冷凍電鏡解析了其活化狀態(tài)結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，與ZAR1抗病小體類似，Sr35抗病蛋白通過其LRR結(jié)構(gòu)域（編者注：一種蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域）直接識別效應(yīng)蛋白，并形成五聚化的抗病小體。我們和中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所的陳宇航課題組合作，證實了Sr35抗病小體確實能夠在質(zhì)膜上形成通透鈣離子的離子通道/孔道從而發(fā)揮免疫抗病作用。這些研究清晰表明，不同單雙子葉來源的植物CNL類抗病蛋白都是通過形成抗病小體，在細胞膜上形成鈣離子通道/孔道，從而通過鈣信號激活植物的免疫反應(yīng)。在與德國馬克斯·普朗克植物育種研究所的合作中，我們揭示了Sr35抗病小體在植物細胞和植物體內(nèi)都可以引起抗病作用。進一步通過實驗表明，僅僅通過替換抗病小體LRR結(jié)構(gòu)域就可以改變其效應(yīng)蛋白的識別特性，進而擴展這些NLR蛋白的抗病譜，這為糧食作物的抗病育種和作物保護提供了一種簡單易行的新策略。

今年，我們又發(fā)表了一項與茄科植物有關(guān)的發(fā)現(xiàn)。在包括番茄、煙草的茄科植物中，有一類特別的NLR蛋白叫作NRC，它是植物細胞死亡所需要的一類NLR蛋白。盡管我們先前的研究揭示植物NLR可以通過結(jié)構(gòu)域之間的相互作用維持抑制狀態(tài)，但是許多NLR類蛋白的過表達經(jīng)常破壞這種自抑制從而導致自發(fā)性免疫的發(fā)生，并且這種反應(yīng)經(jīng)常需要消耗大量的能量，使得植物生長受限、產(chǎn)量下降。但是在茄科中，即便在沒有病原菌侵染時，這些蛋白的表達量依然很高。因此，如何在沒有病原菌侵染時保持這些蛋白的抑制狀態(tài)是一個未解之謎。

我們與合作伙伴通過結(jié)構(gòu)生物學和生物化學的方法，首次揭示了一種茄科NRC蛋白，即NRC2的抑制態(tài)結(jié)構(gòu)，除了具有常規(guī)的分子內(nèi)不同結(jié)構(gòu)域相互作用維持自抑制的狀態(tài)外，它還通過單體之間的寡聚化來增強自我抑制狀態(tài)。特別值得注意的是，該研究發(fā)現(xiàn)一種重要的小分子——肌醇磷酸，它在NRC2蛋白的免疫作用中起到了重要輔助作用，由于以前的研究揭示肌醇磷酸在植物生長發(fā)育中起重要作用，這一發(fā)現(xiàn)可能提示NRC2蛋白介導的免疫作用可能與植物的其他生命過程有著密切關(guān)系，為未來研究免疫與生長的關(guān)系奠定基礎(chǔ)。

植物中除了CNL免疫蛋白，我們針對另一類同樣發(fā)揮重要作用的NLR蛋白，即TNL免疫蛋白，也展開了一系列研究。課題組通過電鏡技術(shù)成功解析了TNL類抗病蛋白的四聚體活化狀態(tài)結(jié)構(gòu)，并揭示這一類抗病小體具有NAD+水解活性和RNA水解酶活性，功能研究揭示這些酶活性對植物的抗病必不可少。目前新的研究進一步揭示TNL類抗病蛋白產(chǎn)生的多種核苷第二信使可以進一步激活一類特殊的CNL類蛋白，這些特殊的CNL蛋白活化后形成生物膜上鈣離子通道/孔道來啟動植物的免疫反應(yīng)。

展望未來，我們的研究揭示植物不同類型NLR抗病蛋白最后都匯聚到鈣信號起始植物的抗病過程，表明植物鈣信號在植物抗病中的重要意義。鈣信號是如何介導植物抗病反應(yīng)的，也是植物抗病領(lǐng)域的下一個研究重點。期望科研人員通過不懈努力，能探索、發(fā)現(xiàn)抗病蛋白更多的奧秘。也期待在不久的將來，這些科研成果能應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，為保障人類糧食安全、食品安全貢獻力量。

（作者：柴繼杰，系西湖大學植物免疫學講席教授）

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